DE2543776A1 - Wechselrichter mit beliebiger ausgangsspannungs- bzw. ausgangsstromform - Google Patents

Description

• Wec hselric ht er mit beliebiger Ausgangsspannungs- bzw.
• Ausgangsstromform" Die Erfindung betrifft einen Wechselrichter mit beliebiger Ausgangsspannungs- bzw. Ausgangsstromform, insbesondere sinusförmiger Ausgangsspannung, unter Verwendung eines ein Schaltelement, eine Speicherdrossel und eine Freilaufdiode aufweisenden getakteten Netzgerätes, das nur positive bzw.
• nur negative periodisch wiederkehrende Spannungs- oder Stromformen erzeugt.
• Es ist ein selbstgeführter Wechselrichter bekannt, mit dem ein Wechselbetrieb durch "Zerhacken' eines Gleichstromes und abwechselndes Schalten auf die Wicklungen eines Transformators möglich ist. Das Umschalten erfolgt durch einen mechanischen, schwingenden oder umlaufenden Schaltapparat, durch Thyristoren oder Transistoren. Nachteilig ist, daß die rechteckförmige Spannungskurve im allgemeinen durch Drosseln und Kondensatoren zu einer sinusförmigen Spannungskurve geglättet werden muß. Es sind somit am Ausgang des bekannten Wechselrichters aufwendige Filtermittel erforderlich. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß sich bei veränderlicher Eingangsgleichspannung die Ausgangs-Wechselspannung ebenfalls ändert. Um dies zu vermeiden, sind bei dem bekannten Wechselrichter besondere Maßnahmen erforderlich, z.B. die Verwendung eines gesteuerten Gleichrichters im Eingang bzw. Parallelbetrieb von zwei Wechselrichtern mit regelbarer Phasenlage.
• Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Wechselrichter mit beliebiger Ausgangsspannungs bzw. Ausgangsstromform zu schaffen, der keine zusätzlichen aufwendigen Filterkreise am Ausgang benötigt und daher in seinen Abmessungen verhältnismäßig klein ist sowie billig hergestellt werden kann und dessen Aus gangs spannung von der Eingangsspannung unabhängig ist.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Schaltelement des Netzgerätes pulsbreitenmoduliert angesteuert wird, daß dem Netzgerät eine Umpolungsschaltungsanordnung nachgeschaltet ist, die jede zweite periodisch wiederkehrende Spannungs- bzv. Stromform umpolt, und daa am Ausgang der Umpolungsschaltungsanordnung eine periodische Wechselspannung bzw. ein Wechselstrom in geviinschter Burvenform und Amplitude ansteht, die durch Modulation des Tastverhältnisses am Schaltelement des Netzgerätes einstell- und regelbar sind.
• Ein Vorteil der Erfindung liegt neben der Miglichkeit der Erzeugung einer beliebigen, von der Eingangsspannung unabhängigen sinusförmigen Ausgangs spannung ohne zusätzliche Filtermittel darin, daß eine Spannungs- bzw. Stromregelung ohne zusätzliche Eingriffe in den Leistungskreis vorgenommen werden kann, und zwar durch änderung der Pulsbreitenmodulation.
• Ein weiterer Vorteil ist in dem erreichbaren hohen Wirkungsgrad zu sehen, der über 90% liegen kann. Weiterhin ist der Klirrfaktor bei Vollast geringer als im Leerlauf und es lassen sich im Gegensatz zu Wechselrichtern mit nachgeschalteten festen Filtern nahezu beliebige Frequenzen betriebsmäßig einstellen.
• In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die Umpolungsschaltungsanordnung aus einer Brückenschaltung von vier Schaltelementen besteht, von denen jeweils die diagonal gegenüberliegenden Schaltelemente abwechseln für die Dauer einer halben Periode durchgeschaltet bzw. gesperrt sind.
• Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Umpolungsschaltungsanordnung zwei Schaltelemente und einen Transformator mit Mittelpunktsanzapfung aufweist.
• Als Schaltelemente für die Umpolun gsschal tungsanordnung sind erfindungsgemaß Thyristoren vorgesehen. Yorteilhafterweise sind für die Thyristoren keine besonderen Löschschaltungen erforderlich, da die bzw. der vom Netzgerät angebotene Spannung bzw. Strom auf Null gesteuert wird. Auch sind an den Thyristoren keine R-C-Schutzschaltungen erforderlich. An die Thyristoren brauchen keine hohen Qualitätsanforderungen gestellt zu werden.
• Eine Weiterbildung der Erfindung geht dahin, daß am Ausgang der Umpolungsschaltungsanordnung ein Transformator angeschlossen ist. Der Transformator dient besonders zur Übertragung von sinusförmigen Wechselspannungen und ermöglicht es, eine gewünscht Ausgangsspannung entsprechend dem Windungsverhältnis des Transformators zu erhalten. Außerdem wird eine Potentialtrennung durchgeführt.
• Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung liegt in einem parallel zum Ausgang der Umpolungsschaltungsanorinung angeordneten zusätzlichen Glättungskondensator.
• In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel nach der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Figur 1 die Zusammenschaltung eines getakteten Netzgerät es und einer Umpolungsschaltungsanordnung, die vier Thyristoren in Brückenschaltung aufweist, Figur 2 eine Umpolungsschaltungsanordnung mit zwei Thyristoren und einem Transformator mit Mittelpunktsanzapfung und Figur 3 ein Blockschaltbild eines Wechselrichters mit Ansteuerschaltelementen.
• In Figur 1 besteht das getaktete Netzgerät im wesentlichen aus einem Transistor T1 als Schaltelement, einer Freilaufdiode D1 und einer mit der Emitter-Kollektorstrecke des Transistors T1 in Reihe liegenden Induktivität L. Parallel zum Eingang bzw.
• Neue Beschreibungsseite 5 zum Ausgang des Netzgerätes liegt jeweils ein Giättungskondensator C1 bzw. C2. Dem Netzgerät ist eine Brückenschaltung von vier Thyristoren nachgeschaltet, von denen jeweils die diagonal gegenüberliegenden Thyristoren mit Tp bzw. TN bezeichnet sind. Anstelle der Thyristoren können auch Transistoren oder andere Schaltelemente verwendet werden. Im Diagonalzweig der Thyristorbrücke ist die Primärwicklung eines Transformators 1 angeordnet, über dessen Sekundärwicklung die Ausgangswechselspannung des Wechselrichters abgreifbar ist. Der Transformator 1 ist besonders zum Abgreifen einer sinusförmigen Ausgangswechselspannung vorteilhafterweise erforderlich.
• Die Wirkungsweise des Wechselrichters wird im folgenden anhand der Erzeugung einer sinusförmiten Ausgangsspannung bescilrieben, wobei zum besseren Verständnis die unterschiedlichen Spannungsformen an verschieden Stellen der Schaltung eingezeichnet sind. Am Eingang des Netzgerätes steht eine veränderliche Gleichspannung UE an, während die Basis des Schalttransistors T1 pulsbreitenmoduliert angesteuert wird.
• Die Eingangsspannung UE wird somit zunächst in rechteckförmige Spannungen und anschließend mit hilfe der Induktivität L und der r)iode D1 in eine pulsierende Gleichspannung umgewandelt, die aus positiven Sinus-Halbwellen mit konstanter Amplitude besteht. Es ist auch möglich, eine pulsierende Gleichspannung mit nur negativen Sinus-Halbewellen zu erzeugen und zu verwenden. Die pulsierende Gleichspannung wird der Umpolungsschal tungsanordnung zugeführt, deren jeweils diagonal gegenüberliegende Thyristoren Tp bzw. Tw abwechselnd für die Dauer einer halben Periode durchgeschaltet bzw. gesperrt sind. So sind für die erste halbe Periode die Thyristoren Tp leitend, während die Thyristoren TN sperren, so daß die positive Halbwelle der sinusformigen Ausgangsspannung UA am Wechselrichterausgang ansteht. Zur Erzeugung der negativen Halbwelle der sinusförmigen Ausgangsspannung UA leiten die Thyristoren TN, während die Thyristoren Tp gesperrt sind. Da die vom Netzgerät angebotene pulsierende Gleichspannung zwischen den Halbwellen auf Null gesteuert wird, sind keine besonderen Löschschaltungen für die Thyristoren erforderlich. Um jedoch eine noch sichere Löschung der Thyristoren zu erreichen, ist es zweckmäßig, daß sich die Ein- und Ausschaltzeiten für die Thyristorgruppen Tp und TN bzw. TN und Tp zeitlich etwas überschneiden.
• Die in Figur 2 dargestellte Umpolungsschaltungsanordnung weist zwei Thyristoren 2 und 3 auf, die der Induktivität L des nicht zeichnerisch vollständig dargestellten Netzgerätes nachgeschaltet und mit jeweils einem Anschluß der Primärwicklung eines Transformators 4 elektrisch leitend verbunden sind. Die Mittelpunktsanzapfung des Transformators 4 ist an das Netzgerät elirt. Die Thyristoren 2 und 3 werden abwechselnd jeweils für die Dauer einer Halbperiode der vom Netzgerät erzeugten pulsierenden Gleichspannung geöffnet bzw. gesperrt, so daß über der Sekundärwicklung des Transformators 4 eine sinusförmige Ausgangswechselspannung UA abgenommen werden kann. Zur Glättung dieser Spannung ist parallel zur Sekundärwicklung ein Kondensator C vorgesehen, der jedoch auch an 3 der Primärwicklung angeschlossen sein kann.
• In Figur 3 ist der in Figur 1 dargestellte Wechselrichter in vereinfachter Form zusammen mit seinen zugehörenden Ansteuersohaltelementen dargestellt. Für das Netzgerät und die Umpolungsschaltungsanordnung sind dieselben Bezugszeichen wie in Figur 1 verwendet worden. Die breitenmodulierten Ansteuerpulse für den Transistor Ti des Netzgerät es werden durch Vergleich einer Dreiecksspannung mit den positiven Halbwellen einer sinusförmigen Spannung erzeugt. Hierzu ist ein Frequenzgenerator 5 mit einstellbarer Ausgangsfrequenz vorgesehen, der gleichzeitig einen Dreiecksspannungsgenerator 6 und über einen Frequenzteiler 7 einen Sinusgenerator 8 ansteuert. Die vom Generator 6 gelieferte positive Dreiecksspannung wird direkt an einen Eingang eines Vergleichers 9 geliefert, während dem zweiten Eingang des Vergleichers 9 die positiven Halbwellen der sinusförmigen Ausgangsspannung des Generators 8 über einen gesteuerten Verstärker 10 zugeführt werden. Die breitenmodulierten Ausgangspulse des Vergleichers 9 gelangen über einen Verstärker ii an die Basis des Schalttransistors T1 des Netzgerätes. Der gesteuerte Verstärker 10 wird über einen PI- oder PlD-Regler 12 mit einstellbarem Soll-Wert in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung UA gesteuert. Die Steuereingänge der Thyristorgruppen TP bzw.
• TN der Umpolungsschaltungsanordnung sind über jeweils einen Verstärker 13 bzw. 14 mit einem Ausgang eines F£ip-Flop-Gliedes 15 elektrisch leitend verbunden, dessen Eingang ebenfalls über den Teiler 7 angesteuert wird.
• Das in Figur 3 dargestellte Blockschaltbild zeigt, daß die Kurvenform und Amplitude der periodischen Ausgangswechselspannung UA durch eine mit einfachen Mitteln durchführbare Modulation des Tastverhältnisses am Transistor T1 des Netzgerätes einstell- und regelbar sind. Eine am Eingang anstehende veränderliche Gleichspannung, z.B. eine mit der Zeit abnehmende Batteriespannung, hat keinen Einfluß auf die konstante Ausgangswechselspannung.
• L e e r s e i t e

Claims (6)

1. Patentansprüche t. Wechselrichter mit beliebiger Auagangsspannungs- bzw. Ausgangsstromform, insbesondere sinusförmiger Ausgangsspannung, unter Verwendung eines ein Schaltelement, eine Speicherdrossel und eine Freilaufdiode aufweisenden getakteten Netzgerätes, das nur positive bzw. nur negative periodisch wiederkehrende Spannungs- bzw. Stromformen erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß das Schaltelement (T ) des Netzgerätes (T1 D1 L) pulsbreitenmoduliert angesteuert wird, daß dem Netzgerät ( T1, Di L) eine Umpolungsschaltungsanordnung (1, Tp, TN bzw. 2, 3, 4) nachgeschaltet ist, die jede zweite periodisch wiederkehrende Spannungsform umpolt, und daß am Ausgang der Umpolungsschaltungsanordnung (i, Tp1 TN bzw. 2, 3, 4) eine periodische Wechselspannung bzw.

   ein periodischer Wechselstrom in gewünschter Kurvenform und Amplitude ansteht, die durch Modulation des Tastverhältnisses am Schaltelement (T1) des Netzgerätes (T1, Dl, L) einstell- und regelbar sind.
2. 2. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolungsschaltungsanordnung (i, Tpi TN) aus einer Brückenschaltung von vier Schaltelementen (Pp, TN) besteht, von denen jeweils die diagonal gegenüberliegenden Schaltelemente (Tp oder T TN) abwechselnd für die Dauer einer hAlben Periode durchgeschaltet bzw. gesperrt sind.
3. 3. Wechselrichter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umpolungsschaltungsanordnung (2, 3, 4) zwei Schaltelemente (2, 3) und einen Transformator (4) mit Mittelpunktsanzapfung aufweist.
4. 4. Wechselrichter nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch die Verwendung von Thyristoren als Schaltelemente für die Umpolungsschaltungsanordnung (t, Typ, TN bzw. 2, 3, 4).
5. 5. Wechselrichter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ausgang der Umpolungsschaltungsanordnung (i, Tp, TN) ein Transformator (1) angeschlossen ist.
6. 6. Wechselrichter nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen parallel zum Ausgang der Umpolungsschaltungsanordnung (1, Tp, TN bzw. 2, 3, 4) liegenden Glättungskondensator (C2 bzw. C3).